EP0792063A1 - Réseau de cellules photosensibles et capteur d'images comportant un tel réseau - Google Patents

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EP0792063A1
EP0792063A1 EP97400385A EP97400385A EP0792063A1 EP 0792063 A1 EP0792063 A1 EP 0792063A1 EP 97400385 A EP97400385 A EP 97400385A EP 97400385 A EP97400385 A EP 97400385A EP 0792063 A1 EP0792063 A1 EP 0792063A1
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EP
European Patent Office
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current
cell
transistors
array
transistor
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EP97400385A
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EP0792063B1 (fr
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Philippe Venier
Xavier Arreguit
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Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Original Assignee
Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/571—Control of the dynamic range involving a non-linear response
    • H04N25/573—Control of the dynamic range involving a non-linear response the logarithmic type
    • H—ELECTRICITY
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    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/703—SSIS architectures incorporating pixels for producing signals other than image signals
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components

Definitions

  • the present invention relates to a network of photosensitive cells in which each cell is intended to provide an output signal representing the local contrast present in the area where this cell is located in the network. More particularly, the invention relates to an image sensor formed of such a network of photoreceptors for converting received light into a set of signals representative of the spatial photonic energy contained in this light.
  • Such an image sensor is of the type which can be designated by analogy with the biological eye, by "artificial retina", photoreceptor device which is capable of transforming photonic energy packets into electrical "nervous” signals which the 'can then be treated in any form whatsoever, representative of the light which strikes this photoreceptor device.
  • the photoreceptor device must include sensors ensuring the photoelectric conversion of the light reflected by the scene subjected to the shooting. These sensors make it possible to obtain signals proportional to the luminance L (x) of the vectors x of this scene.
  • the luminance L (x) is proportional to the illumination E (x) of the scene and to the reflection coefficient ⁇ (x) of the surfaces of the objects which constitute the scene.
  • the important parameter is the reflection coefficient, because it characterizes the surface of the different objects regardless of the type of illumination.
  • this type of processing can be applied, but it can only be carried out correctly if the image indeed contains all the dynamics of the luminance of the scene examined, like this. happens with the treatment done in the biological retina.
  • the ambient lighting conditions can vary in very large proportions, typically by seven orders of magnitude, if we consider for example on the one hand the light of a moonless night, and on the other hand the light of full Sun.
  • the object of the invention is to propose a network of photosensitive cells making it possible to calculate the reflection coefficient of the surfaces of the scene observed, avoiding the problems of over- and under-exposure linked to the calculation time.
  • the reflection coefficient is calculated locally in each cell or pixel of the retina. It thus becomes possible to have on the same network or retina several zones each working at levels of illumination differing by several orders of magnitude. In addition, the reflection coefficient is determined instantaneously and simultaneously for all the cells of the network, so that processing in real time is possible.
  • the cell network according to the invention makes it possible to limit the number of active components of each cell to a minimum value.
  • the network according to the invention has a great capacity for adaptation to the lighting conditions of real scenes making it possible to extract from the incident luminance information on the surfaces of the objects of the scene independently of the type of lighting.
  • each cell of the network is in current mode, each cell supplying information formed by a current at its output. Such information can be used directly by frequency-current conversion.
  • compression, conversion or sigmoidal transfer function will designate the compression or transfer functions corresponding or equivalent to the latter type.
  • the author of the thesis also proposes an equivalent electric model allowing to obtain such a response.
  • This equivalent model therefore takes into account the Michaelis-Menten law dynamically controlled by allowing an adaptation of this law according to statistical characteristics of the light which it is a question of transcoding into exploitable signals.
  • This transcoding effectively amounts to the fact that the sensitivity of each photoreceptor is locally adjusted in the network as a function of the average intensity and of the standard deviation of the light intensity, locally estimated.
  • the aforementioned book does not report any practical implementation of the electric model thus proposed.
  • said second calculation circuit is arranged to develop said measurement current so that it results from a sigmoidal compression of said ratio between the current representative of the local illumination and said average current.
  • the measurement current I out is proportional to the ratio I ph / I avg , that is to say say proportional to local contrast.
  • the measurement current I out tends towards 0 and towards ⁇ k f R (k, l) * I 0 , value which is a multiple of the current I 0 .
  • This second embodiment therefore also makes it possible to obtain a measurement current of increasing pace, monotonous and saturated.
  • the image sensor according to the first embodiment of the invention (sensor which is also called “artificial retina”), is designed on the basis of the theoretical model developed by the author of the aforementioned thesis from the investigations made on the retinas of certain vertebrates. It therefore implements Michaelis-Menten's law in order to achieve a sigmoidal compression of the light intensity signal due to the illumination of the sensor and thus to allow the full range of illumination levels to be taken into account (approximately seven orders of magnitude) that the sensor is generally likely to receive.
  • the sigmoidal compression is carried out in intensity windows corresponding to the range of sensitivities of the photoreceptor, adaptation to a given intensity level being determined using the average value of the intensity with which at least one group of photoreceptors is confronted.
  • FIG. 1 shows the principle of a circuit according to the first embodiment of the invention for implementing the above law.
  • This circuit which will be called “adaptive sigmoidal compression circuit” is in the form of a current divider and comprises a current source 1 connected to a supply voltage source V DD 2 and delivering a constant current I 0 .
  • the current source 1 is connected to two adjustable conductances 3 and 4, one as a function of a current I ph produced by at least one photoreceptor 5 and the other by a calculation circuit 6 which determines a current I avg .
  • This is the "average” of the currents produced by a group of photodetectors of which the photodetector considered is a part.
  • This current I avg is representative of the average level of illumination (the term “average” is therefore not to be taken in the strict mathematical sense).
  • the conductances 3 and 4 are traversed by currents called respectively I log and I t .
  • I log G 1 I 0 G 1 + G 2 in which G 1 and G 2 are respectively the values of conductances 3 and 4.
  • FIG. 2 shows the implementation of the basic circuit using these transistors working in low inversion, that is to say in the part of their characteristic curve having an exponential appearance.
  • the adaptive compression circuit according to the invention comprises four P-type transistors P1, P2, P3 and P4.
  • the transistor P2 forms the conductance 3
  • the transistor P3 forms the conductance 4.
  • the source-drain path of the transistor P1 is traversed by the current I ph and its gate is connected to its drain.
  • the source is connected to one of the terminals of a voltage source 7 supplying the voltage V E.
  • the gate of transistor P1 is connected to that of transistor P2 in which the controlled current I log flows. Its source is connected to the current source 1 supplying the current I 0 . Thus, the conductance formed by the transistor P2 is regulated by the transistor P1.
  • the transistor P3 is also connected to the current source 1 and its gate is connected to that of the transit P4 whose source is at the potential V E of the voltage source 7.
  • the source-drain path of transistor P4 is traversed by the current I avg and its gate is connected to its drain. Consequently, the transistor P4 regulates the conductance formed by the transistor P3.
  • I ph I D 0 e V 1 - nV E bare T
  • I log I D 0 e V 1 - nV 0 bare T
  • I t I D 0 e V 2 - nV 0 bare T
  • I avg I D 0 e V 2 - nV E bare T in which I D0 is the specific current of each transistor, V 0 , V 1 , V 2 are the respective potentials indicated in FIG. 2, n being the slope factor and U T the thermal potential of each transistor.
  • FIG. 3 shows in more detail how an image sensor is organized according to the first embodiment of the invention.
  • the sensor has a large number of cells connected to each other in a given configuration which can be linear (as shown), hexagonal or other.
  • FIG. 3 there are shown schematically only three cells of this network, namely cells C n , C n-1 and C n + 1 . All the cells being identical, only cells C n-1 and C n are shown in detail.
  • cell C n comprises three functional blocks, namely the adaptive sigmoidal compression circuit 8, already partially described with reference to FIG. 2, an averaging circuit 9 and an adaptive low-pass filter 10 which notably includes an output S n on which a useful signal representative of the contrast appears in the area of the cell C n .
  • the image sensor comprises a bias circuit 11 which is common to all the cells of which it is composed.
  • FIG. 3 we recognize the transistors P1 to P4 which we have already examined in connection with FIG. 2.
  • the source-drain path of the transistor P1 is connected in series with a photodiode 12 delivering the current I ph as a function of the illumination to which this cell is locally exposed.
  • the voltage source 7 providing the potential V E is formed by a transistor P5 whose source is connected to the voltage source V DD and whose drain is connected to the sources of the transistors P1 and P4.
  • the current source 1 delivering the current I 0 is formed by a transistor P6.
  • the gate of the latter is subjected to a potential V gI0 , while its source-drain path is connected between the voltage source 2 and the sources of the transistors P2 and P3.
  • a transistor P7 is mounted as a current mirror with the transistor P1 and therefore delivers a current I ph which is the image of the current flowing in the photodiode 12.
  • the calculation circuit 9 forms with its counterparts in the other cells a diffusing network (here laterally) composed of a conductance called “vertical” formed by a transistor P8 and a conductance called “lateral” formed by a transistor P9.
  • the node J1 between the drain-source paths of the transistors P8 and P9 is connected to the drain of the transistor P7 and it is through this node that the current I ph of the cell considered is distributed, laterally to the neighboring cells through the transistors P9, and vertically through the transistor P8 of the cell considered.
  • the source-drain path of transistor P8 is connected in series with that of a transistor N1 connected to ground and forming with another transistor N2 a current mirror.
  • the transistor P8 is traversed by a current which is representative of the average illumination striking the image sensor at least in the area close to the cell Cn considered.
  • the transistor N2 is mounted as a current mirror, it is traversed by a current I avg representative of this average illumination.
  • the source-drain paths of the transistors P4 and N2 are put in series, the same P4 transistor is crossed by this same current I avg .
  • the transistor N in addition to making it possible to replicate the current I avg in the transistor N2, is also able to fix the potential at which the current divider works by the transistors P8 and P9.
  • the ratio in question is fixed by the bias circuit 11 common to all of the cells.
  • This polarization circuit includes two transistors P13 and P14 respectively fixing the polarization of the transistors P8 and P9 of the cells.
  • Figure 4 shows a graph of the ratio I log / I 0 , resp. I log-th / I 0 as a function of the value ln (I ph / I avg ), curve A showing the shape recorded on the circuit of FIG. 3 and curve B that calculated from theory.
  • the sigmoidal compression operated by the circuit according to the invention follows a large part of the theoretical curve and that it extends over a little more than two orders of magnitude.
  • FIG. 5 is a graph showing the shape of the current I log (curve C), respectively I log-th (curve D) in nanoamps (nA) as a function of the current I ph also in nA.
  • Curve C was noted on the central cell of an image sensor according to the invention composed of 50 cells in accordance with the diagram in FIG. 3, the central cell receiving a variable light intensity, while the other cells were illuminated with constant and uniform lighting.
  • the diffusion length L was chosen at 10 I log-th .
  • This filter is intended to improve the signal / noise ratio for the low light intensities to which the sensor cells can be exposed.
  • each filter 10 forms with its counterparts in the other cells a diffusing network.
  • each filter 10 comprises a "lateral" transistor P10 and a “vertical” transistor P11 which are connected to each other at a node J2 to which the current I log generated in the sigmoidal compression circuit is sent. 8 of the cell.
  • the transistor P11 is connected in series with a transistor N3 forming with a transistor N4 a current mirror making it possible to generate the output current I out of the cell, this output current passing through the output terminal S n of the cell.
  • the node J2 is connected to the transistor P10 of the neighboring cell (here the cell Cn + 1).
  • a capacitor C2 is connected between the node J2 and the ground.
  • the transistor P11 constitutes an adjustable conductance which is biased by the current I avg calculated in the calculation circuit 9 of the cell by means of two other transistors in series P12 and N5.
  • the polarization of the lateral transistors P10 of the filters of all the cells is ensured by a transistor P15 whose gate is connected to the gates of all these lateral transistors and which is part of the common bias circuit 11.
  • the adaptive low-pass filter 10 is regulated by the current I avg which, as we have already seen, corresponds to a space-time average of illumination at the level of a predetermined number of neighboring cells.
  • G P 11 I P 15 I avg in which L F is the diffusion length of the diffusing network formed by the filters 10, G P10 and G P15 the conductances materialized by the respective transistors P10 and P15 and I P15 the current flowing in the transistor P15 of the bias circuit 11.
  • time constant ⁇ also depends inversely proportional to the average level of illumination.
  • the adaptive filter 10 in each cell makes it possible to improve the signal / noise ratio for low illumination intensities, to the detriment, it is true, of the spatial and temporal resolutions of the sensor. images.
  • FIG. 6 illustrates the influence of the adaptive filter 10 on the result of the measurement carried out by the image sensor which has just been described.
  • the three graphs visible in a), b) and c) relate to cells no. 25 to 34 of a one-dimensional network of 50 cells arranged as in FIG. 3, the central cell 25 being variably lit and the other cells receiving uniform illumination.
  • Each graph represents three curves recorded respectively for an illumination of the central cell n ° 25 such that the ratio I ph / I avg is respectively 100, 1 and 5.
  • FIG. 7 represents a variant of the first embodiment of the image sensor according to the invention. It differs from that previously described by the way in which the adaptive low-pass filter is polarized 10.
  • the "vertical" branch (transistors P11 and N3) is polarized by the current I avg via transistors P12 and N5
  • the bias circuit includes, instead of the transistor P15, a transistor N6 which bias the transistor P11 of the adaptive filter to an identical value for all the cells.
  • Another variant of this first embodiment consists in using for the transistors P1 to P4 and P7 of the sigmoidal compression circuit 8 of transistors of MOS type CLTB (Compatible Lateral Bipolar Transistor or bipolar transistor with lateral compatibility) possibly associated with MOS transistors in cascade, according to arrangements which have been described in two works, one of X. Arreguit in thesis n ° 817, 1989 at the Lausanne (Switzerland), and the other by E. Vittoz in IEEE, Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-18, No. 3, June 1983 and entitled "MOS Transistors Operated in the Lateral Bipolar Mode and their Application in CMOS Technology". Functionally, the circuits of Figures 3 and 7 are equivalent.
  • CLTB Compact Lateral Bipolar Transistor or bipolar transistor with lateral compatibility
  • inventions described and shown in Figures 3 and 7 are said to be one-dimensional in the sense that the network extends in one direction.
  • the invention also encompasses so-called multidimensional networks (greater than one dimension).
  • the nodes J 1 and J 2 could be connected to equivalent nodes located in the cells of networks materialized in "planes" located above and / or below one or the another of the networks represented in FIGS. 3 and 7.
  • FIG. 8 shows the very simplified diagram of three cells or pixels k-1, k and k + 1 of a photosensitive or retina network arranged here in the form of a one-dimensional network.
  • Each cell comprises a photosensitive element such as a photodiode for example supplying the current I ph (k) as well as a constant current source 2a supplying the current I 0 for this cell or pixel.
  • Each cell materializes a vertical conductance 3a or G VER (k) through which the calculated measurement current I out (k) passes, constituting the pixel output signal.
  • the junction node between the current source 2a and the vertical conductance 3a is connected to two lateral conductances 4a and 5a or GLAT1 (k) and GLAT2 (k) connected respectively to the lateral conductances of the cells neighboring left and right.
  • the operating principle consists in modifying the conductances 3a, 4a and 5a according to the global image projected on the network.
  • the current I ph (k) is proportional to the incident luminance L (k) which proportionally modulates the value of the vertical conductance 3a.
  • the network comprises means (not shown in Figure 8, but described later) for establishing a spatial average of the current I ph neighboring cells to the current average I moy (k) for modulating the lateral conductances 4a and 5a in each cell k.
  • this network design makes it possible to obtain a measurement current I out (k) for each pixel proportional to the ratio of the luminance L (k) and of a local mean value of the luminance, so that the network becomes able to provide a satisfactory overall output signal, even if the luminance levels striking the different areas of the network differ by several orders of magnitude.
  • FIG. 9 shows an example of implementation of the second embodiment of the invention.
  • the vertical conductance is produced by a transistor P2a mounted at low inversion, its gate potential being controlled by the transistor Pla which is crossed by the current coming from the photosensitive element (not shown in FIG. 9).
  • the lateral conductances 4a and 5a are respectively materialized by the transistors P4a and P5a also mounted at low inversion, the gate potential being controlled by a transistor P6a which is crossed by the current I avg .
  • the moy average current I is obtained via the transistors N1a and N2a connected in current mirror and N4A transistor which is connected by its path drain-source to the corresponding transistors of neighboring cells.
  • a difficulty which may be encountered during the production of the network according to the invention consists in the risk that certain pairs of transistors are only poorly matched, which can give rise to errors in the determination of certain quantities calculated in each cell.
  • the circuit of FIG. 9 is less sensitive to this defect than the arrangements described in connection with the first embodiment of the invention, as regards the current source 2a and the use of the current I avg .
  • the current I 0 being injected into each cell, it nevertheless diffuses laterally in the network in part so that any difference between the currents injected into the neighboring pixels will be spatially filtered.
  • the current I avg it only serves to polarize the lateral conductances 4a and 5a whose effect is not only felt in the individual cell considered, but also laterally, since they determine the space constant for normalization.
  • FIG. 10 represents a variant of the cell of FIG. 9, in which the mismatch of the transistors is further eliminated by the use CLTB transistors, these transistors having a better matching of at least an order of magnitude to that of the MOS transistors.
  • the cell is intended to be used in a hexagonal type network, which means that it communicates with six neighboring cells at the same time.
  • a CLTB transistor Q4 is provided in the current source 2a, an auxiliary MOS transistor P8a being connected to its collector terminal.
  • each transistor Pla, P2a and P3a is here associated with a respective transistor CTLB Q1, Q2 and Q3, the collector of the latter being connected to the MOS transistor concerned.
  • the lateral connections are made by the respective transistors N4a, N5a, N6a, P5a, P6a, P7a, P10a, P11a and P12a.
  • the second embodiment can be equipped with an adaptive filter as described above in the context of the first embodiment.

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Abstract

Dans ce réseau, chaque cellule (Kn) reçoit un courant (Iph(k)) d'un photodétecteur et fournit un courant de sortie (Sn) représentatif du contraste local dans la zone où se situe cette cellule. Selon l'invention, chaque cellule se compose de conductances réglables élaborant un courant de sortie (Iout(k)) dépendant de manière croissante, monotone et saturante du rapport entre le courant du photodétecteur (Iph(k)) et d'un courant moyen (Imoy(k)), ledit rapport représentant le contraste local de la cellule considérée. La première des conductances (P2a) est régulée par le courant (Iph(k)) circulant dans le photodétecteur. Des moyens de calcul dans chaque cellule génèrent un courant moyen (Imoy(k)) à partir des courants circulant dans les photodétecteurs de la cellule considérée et dans au moins certaines des cellules voisines. Ce courant est représentatif de l'illumination moyenne à laquelle est soumis le réseau. Les conductances (P4a, P5a) sont régulées par le courant moyen (Imoy(k)). <IMAGE>

Description

  • La présente invention est relative à un réseau de cellules photosensibles dans lequel chaque cellule est destinée à fournir un signal de sortie représentant le contraste local présent dans la zone où se situe cette cellule dans le réseau. Plus particulièrement, l'invention concerne un capteur d'images formé d'un tel réseau de photorécepteurs pour convertir de la lumière reçue en un ensemble de signaux représentatifs de l'énergie photonique spatiale contenue dans cette lumière.
  • Un tel capteur d'images est du type qu'on peut désigner par analogie avec l'oeil biologique, par "rétine artificielle", dispositif photorécepteur qui est capable de transformer des paquets d'énergie photonique en des signaux "nerveux" électriques que l'on peut traiter ensuite sous quelque forme que ce soit, représentative de la lumière qui frappe ce dispositif photorécepteur.
  • Le dispositif photorécepteur doit comprendre des capteurs assurant la conversion photoélectrique de la lumière réfléchie par la scène soumise à la prise de vue. Ces capteurs permettent d'obtenir des signaux proportionnels à la luminance L(x) des vecteurs x de cette scène. La luminance L(x) est proportionnelle à l'éclairement E(x) de la scène et au coefficient de réflexion ρ(x) des surfaces des objets qui constituent la scène. Pour un traitement perceptif, le paramètre important est le coefficient de réflexion, car il caractérise la surface des différents objets indépendamment du type d'éclairement.
  • Lorsque l'éclairement n'est pas constant pour toute la scène, le coefficient de réflexion ne peut pas se déduire simplement de la luminance. Il est nécessaire de faire une hypothèse sur le type d'éclairement E(x). Dans les conditions réelles d'illumination, on peut admettre que l'éclairement est localement constant.
  • Dès lors, pour chaque point de la scène, en calculant le contraste local, c'est-à-dire le rapport de luminance L(x) avec une valeur moyenne locale Lmoy(x) de la luminance, on obtient une grandeur directement proportionnelle au coefficient de réflexion ρ(x).
  • Pour des images acquises avec des capteurs CCD ou CMOS, ce type de traitement peut être appliqué, mais il ne pourra être effectué correctement que si l'image contient bien toute la dynamique de la luminance de la scène examinée, à l'instar de ce qui se passe avec le traitement effectué au niveau de la rétine biologique.
  • Or, les conditions d'illumination ambiantes peuvent varier dans de très grandes proportions, typiquement de sept ordres de grandeur, si on considère par exemple d'une part la lumière d'une nuit sans lune, et d'autre part la lumière de plein soleil.
  • Il faut donc pour obtenir un traitement correct qu'aucune partie de l'image acquise ne soit ni sur-, ni sous-exposée. Pour des scènes réelles, les situations de sur- ou sous-exposition d'une partie de l'image sont très fréquentes et il n'est donc pas possible de retrouver à posteriori le coefficient de réflexion ρ(x). De plus, calculée avec des moyens classiques, numériques ou séquentiels, ce traitement prend trop de temps pour permettre un traitement perceptif en temps réel.
  • L'invention a pour but de proposer un réseau de cellules photosensibles permettant de calculer le coefficient de réflexion des surfaces de la scène observée, en évitant les problèmes de sur- et de sous-exposition liés au temps de calcul.
  • L'invention a donc pour objet un réseau de cellules photosensibles dont chaque cellule est destinée à fournir un signal de sortie représentatif du contraste local présent dans la zone où se situe cette cellule dans le réseau, caractérisé en ce que chaque cellule comprend:
    • un élément photosensible délivrant un courant représentatif de l'illumination locale dans ladite zone;
    • un premier circuit de calcul qui, à partir dudit courant représentatif et de parts prédéterminées des courants représentatifs engendrés dans au moins certaines des cellules voisines dans le réseau de la cellule considérée, élabore un courant moyen;
    • un second circuit de calcul qui, à partir dudit courant représentatif et dudit courant moyen élabore un courant de mesure dépendant de manière croissante, monotone et saturante du rapport entre le courant représentatif et le courant moyen, ledit rapport représentant le contraste local de la cellule considérée, et
    • des moyens pour élaborer ledit signal de sortie en fonction dudit courant de mesure.
  • Grâce à ces caractéristiques, le calcul du coefficient de réflexion est effectué localement dans chaque cellule ou pixel de la rétine. Il devient ainsi possible d'avoir sur un même réseau ou rétine plusieurs zones travaillant chacune à des niveaux d'illumination différant de plusieurs ordres de grandeur. De plus, la détermination du coefficient de réflexion est effectuée instantanément et simultanément pour toutes les cellules du réseau, de sorte qu'un traitement en temps réel est possible.
  • En outre, tout en assurant une sensibilité satisfaisante du réseau au niveau de chaque cellule, il est également possible, grâce à l'invention d'obtenir dans le réseau de cellules un bon compromis entre la résolution spatio-temporelle et le rapport signal/bruit des signaux de sortie en particulier dans le domaine des faibles illuminations. En outre, le réseau de cellules selon l'invention permet de limiter le nombre de composants actifs de chaque cellule à une valeur minimale.
  • Le réseau suivant l'invention présente une grande capacité d'adaptation aux conditions d'éclairement de scènes réelles permettant d'extraire de la luminance incidente une information sur les surfaces des objets de la scène indépendamment du type d'éclairement.
  • En outre, le traitement effectué dans chaque cellule du réseau est en mode courant, chaque cellule fournissant à sa sortie une information formée par un courant. Une telle information peut être exploitée directement par conversion fréquence-courant.
  • Dans une thèse de doctorat publiée en juin 1994 par l'Institut Polytechnique de Grenoble, France et intitulé "Le traitement neuronal de l'information dans la rétine des vertébrés: un creuset d'idées pour la vision artificielle", W. Beaudot (Laboratoire de Traitement d'Images et de Reconnaissance de Formes de Grenoble, France) a analysé la fonction de transfert de la rétine des vertébrés. Il s'est avéré que la réponse d'un photorécepteur biologique présente la forme d'un faisceau de sigmoïdes dont chacun représente la compression pseudo-logarithmique de l'illumination pour un niveau particulier de celle-ci en suivant la loi de Michaelis-Menten.
  • Dans la suite de la description, on désignera par compression, conversion ou fonction de transfert sigmoïdale les fonctions de compression ou de transfert correspondant ou équivalent à ce dernier type.
  • L'auteur de la thèse propose également un modèle équivalent électrique permettant d'obtenir une telle réponse. Ce modèle équivalent prend donc en compte la loi de Michaelis-Menten contrôlée dynamiquement en permettant une adaptation de cette loi en fonction de caractéristiques statistiques de la lumière qu'il s'agit de transcoder en signaux exploitables. Ce transcodage revient en fait à ce que la sensibilité de chaque photorécepteur soit localement ajustée dans le réseau en fonction de l'intensité moyenne et de l'écart type de l'intensité lumineuse, localement estimées. Toutefois, l'ouvrage précité ne fait état d'aucune implémentation pratique du modèle électrique ainsi proposé.
  • Ainsi, suivant un premier mode de réalisation de l'invention, ledit second circuit de calcul est agencé pour élaborer ledit courant de mesure de façon qu'il résulte d'une compression sigmoïdale dudit rapport entre le courant représentatif de l'illumination locale et ledit courant moyen.
  • Cependant, suivant un second mode de réalisation de l'invention, ledit second circuit de calcul est agencé pour élaborer ledit courant de mesure selon l'équation:
    Figure imgb0001
     dans lequel:
    • Iout
    courant de mesure;
    k et l
    indices en X et Y d'une cellule concernée dans le réseau bidimensionnel;
    I0
    courant fourni par une source de courant prévue dans chaque cellule concernée;
    fR
    kernel de convolution d'allure Gaussienne
    Iph
    courant dans le photorécepteur
    Imoy
    courant moyen
  • On notera que, dans ce second mode de réalisation de l'invention, pour les valeurs du courant Iph proches du courant Imoy, le courant de mesure Iout est proportionnel au rapport Iph/Imoy, c'est-à-dire proportionnel au contraste local. Pour des valeurs du courant Iph respectivement très inférieures et très supérieures au courant Imoy, le courant de mesure Iout tend vers 0 et vers ∫kfR(k,l)*I0, valeur qui est un multiple du courant I0. Ce deuxième mode de réalisation permet donc d'obtenir également un courant de mesure d'allure croissante, monotone et saturante.
  • Par ailleurs, il convient de signaler qu'il est connu d'après le brevet US-A-4 400 729 concernant un réseau de cellules photosensibles du type de la présente invention, d'apporter une correction au signal de sortie de chaque cellule en utilisant l'information d'image des cellules voisines. A cet effet, les signaux engendrés par les éléments photosensibles sont soumis à un calcul de la valeur médiane des différences obtenues à partir des signaux fournis par quatre cellules adjacentes dans le réseau. Il s'agit donc d'un processus de calcul différent de celui appliqué dans le réseau selon la présente invention. En outre, le document antérieur ne fait pas état de la production d'un courant de mesure à fonction croissante, monotone et saturante.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels:
    • la figure 1 est un schéma symbolique illustrant le principe qui est à la base du fonctionnement du premier mode de réalisation de la présente invention;
    • la figure 2 est un schéma plus élaboré illustrant ce même principe de base;
    • la figure 3 est un schéma détaillé de quelques cellules d'un capteur d'images utilisant le réseau de cellules selon l'invention;
    • la figure 4 est un graphe montrant le rapport des courants Ilog et Io circulant dans une cellule du capteur, en fonction du logarithme du rapport des courants Iph et Imoy, circulant également dans le capteur, la courbe étant comparée à une courbe analogue obtenue par le calcul théorique;
    • la figure 5 est un graphe montrant le courant de sortie Ilog du circuit de compression sigmoïdale d'une cellule du capteur en fonction du courant Iph circulant dans l'élément photosensible de cette cellule, la courbe étant comparée à une courbe analogue obtenue par le calcul théorique;
    • la figure 6 montre en a), b) et c) trois graphes illustrant le fonctionnement du filtre adaptatif utilisé dans chaque cellule du capteur d'images selon l'invention;
    • la figure 7 est un schéma détaillé d'une variante du capteur d'images selon le premier mode de réalisation de l'invention.
    • la figure 8 illustre schématiquement le principe qui est à la base du second mode de réalisation de l'invention;
    • la figure 9 illustre de façon plus détaillée le principe de base représenté sur la figure 8; et
    • la figure 10 est un schéma d'une cellule d'un capteur d'images à deux dimensions connecté selon un schéma hexagonal et utilisant le principe de base du second mode de réalisation de l'invention.
  • Le capteur d'images selon le premier mode de réalisation de l'invention (capteur qui est appelé aussi "rétine artificielle"), est conçu sur la base du modèle théorique élaboré par l'auteur de la thèse précitée à partir des investigations faites sur les rétines de certains vertébrés. Il met donc en oeuvre la loi de Michaelis-Menten afin de réaliser une compression sigmoïdale du signal d'intensité lumineuse dû à l'illumination du capteur et ainsi de permettre la prise en compte de la gamme complète de niveaux d'illumination (environ sept ordres de grandeur) que le capteur est généralement susceptible de recevoir. La compression sigmoïdale est réalisée dans des fenêtres d'intensité correspondant à la gamme de sensibilités du photorécepteur, l'adaptation à un niveau d'intensité donné étant déterminée en utilisant la valeur moyenne de l'intensité à laquelle au moins un groupe de photorécepteurs est confronté.
  • La loi de Michaelis- Menten peut s'exprimer ainsi: R log = K 1 1+ N 0 N
    Figure imgb0002
     dans laquelle Rlog est la réponse d'un photorécepteur, K est une constante, N0 est le niveau moyen d'illumination sur un groupe de photorécepteurs du capteur et N le niveau d'illumination du photorécepteur considéré dans ce groupe.
  • La figure 1 représente le principe d'un circuit selon le premier mode de réalisation de l'invention permettant de mettre en oeuvre la loi précitée. Ce circuit que l'on appellera "circuit de compression sigmoïdale adaptatif", se présente sous la forme d'un diviseur de courant et comporte une source de courant 1 connectée à une source de tension d'alimentation VDD 2 et débitant un courant constant I0.
  • La source de courant 1 est connectée à deux conductances ajustables 3 et 4, l'une en fonction d'un courant Iph produit par au moins un photorécepteur 5 et l'autre par un circuit de calcul 6 qui détermine un courant Imoy. Celui-ci est la "moyenne" des courants produits par un groupe de photodétecteurs dont le photodétecteur considéré fait partie. Ce courant Imoy est représentatif du niveau moyen d'illumination (le terme "moyenne" n'étant donc pas à prendre dans le sens mathématique strict). Les conductances 3 et 4 sont parcourues par des courants appelés respectivement Ilog et It.
  • Le courant Ilog présente la forme: I log = G 1 I 0 G 1 + G 2
    Figure imgb0003
     dans laquelle G1 et G2 sont respectivement les valeurs des conductances 3 et 4. Avec G1=kIph et G2=kImoy, on obtient: I log = I 0 1+ I moy I ph
    Figure imgb0004
     équation qui correspond à la loi de Michaelis-Menten énoncée ci-dessus.
  • Le circuit que l'on vient de décrire peut être réalisé moyennant l'emploi de divers types de technologies des semiconducteurs. Dans ce qui va suivre, on décrira, à titre d'exemple, une réalisation à l'aide de transistors MOS. La figure 2 montre l'implémentation du circuit de base à l'aide de ces transistors travaillant en faible inversion, c'est à dire dans la partie de leur courbe caractéristique présentant une allure exponentielle.
  • Plus précisément, le circuit de compression adaptatif selon l'invention comprend quatre transistors P1, P2, P3 et P4 de type P. Le transistor P2 forme la conductance 3, tandis que le transistor P3 forme la conductance 4. Le trajet source-drain du transistor P1 est parcouru par le courant Iph et sa grille est raccordée à son drain. La source est reliée à l'une des bornes d'une source de tension 7 fournissant la tension VE.
  • La grille du transistor P1 est reliée à celle du transistor P2 dans lequel circule le courant commandé Ilog. Sa source est reliée à la source de courant 1 fournissant le courant I0. Ainsi, la conductance formée par le transistor P2 est régulée par le transistor P1.
  • Le transistor P3 est également relié à la source de courant 1 et sa grille est reliée à celle du transiter P4 dont la source est au potentiel VE de la source de tension 7. Le trajet source-drain du transistor P4 est parcouru par le courant Imoy et sa grille est connectée à son drain. Par conséquent, le transistor P4 régule la conductance formée par le transistor P3.
  • Pour ce qui concerne les transistors P1 à P4 connectés comme indiqué sur la figure 2, on peut écrire les équations suivantes: I ph = I D 0 e ​ V 1 - nV E nU T
    Figure imgb0005
     I log = I D 0 e ​ V 1 - nV 0 nU T
    Figure imgb0006
     I t = I D 0 e ​ V 2 - nV 0 nU T
    Figure imgb0007
     I moy = I D 0 e ​ V 2 - nV E nU T
    Figure imgb0008
     dans lesquelles ID0 est le courant spécifique de chaque transistor, V0, V1, V2 sont les potentiels respectifs indiqués sur la figure 2, n étant le facteur de pente et UT le potentiel thermique de chaque transistor.
  • Par ailleurs: I log +I t =I 0
    Figure imgb0009
  • En combinant les équations (4) à (8) ci-dessus, il vient: I log = I ph I 0 I ph + I moy = I 0 1+ I moy I ph
    Figure imgb0010
     ce qui correspond à l'équation (3) recherchée.
  • La figure 3 représente plus en détail comment est organisé un capteur d'images selon le premier mode de réalisation de l'invention. Le capteur comporte un grand nombre de cellules connectées les unes aux autres selon une configuration donnée qui peut être linéaire (comme représenté), hexagonale ou autre. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement trois cellules seulement de ce réseau, à savoir les cellules Cn, Cn-1 et Cn+1. Toutes les cellules étant identiques, seules les cellules Cn-1 et Cn sont représentées en détail.
  • On voit que la cellule Cn comprend trois blocs fonctionnels, à savoir le circuit de compression sigmoïdale adaptatif 8, déjà décrit partiellement à propos de la figure 2, un circuit de calcul de moyenne 9 et un filtre passe-bas adaptatif 10 qui comprend notamment une sortie Sn sur laquelle apparaît un signal utile représentatif du contraste dans la zone de la cellule Cn.
  • En outre, le capteur d'image comprend un circuit de polarisation 11 qui est commun à toutes les cellules dont il est composé.
  • Sur la figure 3, on reconnaît les transistors P1 à P4 que l'on a déjà examinés à propos de la figure 2. Le trajet source-drain du transistor P1 est relié en série avec une photodiode 12 délivrant le courant Iph en fonction de l'illumination à laquelle cette cellule est localement exposée. La source de tension 7 fournissant le potentiel VE est formée par un transistor P5 dont la source est connectée à la source de tension VDD et dont le drain est relié aux sources des transistors P1 et P4.
  • La source de courant 1 délivrant le courant I0 est formée par un transistor P6. La grille de ce dernier est soumise à un potentiel VgI0, tandis que son trajet source-drain est relié entre la source de tension 2 et les sources des transistors P2 et P3.
  • Un transistor P7 est monté en miroir de courant avec le transistor P1 et délivre donc un courant Iph qui est l'image du courant circulant dans la photodiode 12.
  • Le circuit de calcul 9 forme avec ses homologues dans les autres cellules un réseau diffusant (ici latéralement) composé d'une conductance dite "verticale" formée par un transistor P8 et d'une conductance dite "latérale" formée par un transistor P9. Le noeud J1 entre les trajets drain-source des transistors P8 et P9 est connecté au drain du transistor P7 et c'est à travers ce noeud que le courant Iph de la cellule considérée est réparti, latéralement vers les cellules voisines à travers les transistors P9, et verticalement à travers le transistor P8 de la cellule considérée.
  • Le trajet source-drain du transistor P8 est connecté en série avec celui d'un transistor N1 raccordé à la masse et formant avec un autre transistor N2 un miroir de courant.
  • Le transistor P8 est parcouru par un courant qui est représentatif de l'illumination moyenne frappant le capteur d'images au moins dans la zone proche de la cellule Cn considérée. Comme le transistor N2 est monté en miroir de courant, il est parcouru par un courant Imoy représentatif de cette illumination moyenne. Comme par ailleurs les trajets source-drain des transistors P4 et N2 sont mis en série, le transistor P4 est traversé par ce même courant Imoy.
  • Il est à noter que le transistor N1, outre de permettre de répliquer le courant Imoy dans le transistor N2, est également à même de fixer le potentiel auquel travaille le diviseur de courant formé par les transistors P8 et P9.
  • La longueur de diffusion (autrement dit le nombre de cellules sur lesquelles sera ressenti le courant Iph de la cellule considérée) est déterminée par le rapport des conductances des transistors P8 et P9 selon la formule: L = G P 9 G P 8
    Figure imgb0011
     dans laquelle L est la longueur de diffusion et GP8 et GP9 sont respectivement les conductances des transistors P8 et P9. Le rapport en question est fixé par le circuit de polarisation 11 commun à l'ensemble des cellules.
  • Ce circuit de polarisation comprend deux transistors P13 et P14 fixant respectivement la polarisation des transistors P8 et P9 des cellules. Ainsi, la longueur de diffusion peut s'écrire comme un rapport de courants comme suit: L = I P 14 I P 13
    Figure imgb0012
  • La figure 4 montre un graphe du rapport Ilog/I0, resp. Ilog-th/I0 en fonction de la valeur ln(Iph/Imoy), la courbe A montrant l'allure relevée sur le circuit de la figure 3 et la courbe B celle calculée à partir de la théorie. On voit que la compression sigmoïdale opérée par le circuit selon l'invention suit une grande partie de la courbe théorique et qu'elle s'étend sur un peu plus de deux ordres de grandeur.
  • La figure 5 est un graphe montrant l'allure du courant Ilog (courbe C), respectivement Ilog-th (courbe D) en nanoampères (nA) en fonction du courant Iph également en nA. La courbe C a été relevée sur la cellule centrale d'un capteur d'images selon l'invention composé de 50 cellules conforme au schéma de la figure 3, la cellule centrale recevant une intensité lumineuse variable, tandis que les autres cellules ont été illuminées avec un éclairage constant et uniforme. On voit ici que le cas expérimental suit de très près le cas théorique établi par le calcul selon la loi de Michaelis-Menten. La longueur de diffusion L a été choisie à 10Ilog-th.
  • On va maintenant décrire le filtre passe-bas adaptatif désigné par la référence 10 sur la figure 3 et présent dans chaque cellule du capteur d'images selon le présent mode de réalisation de l'invention. Ce filtre est destiné à améliorer le rapport signal/bruit pour les faibles intensités lumineuses auxquelles les cellules du capteur peuvent être exposées.
  • Comme les circuits de calcul de moyenne des cellules, le filtre passe-bas 10 forme avec ses homologues dans les autres cellules un réseau diffusant. Ainsi, chaque filtre 10 comprend un transistor "latéral" P10 et un transistor "vertical" P11 qui sont connectés l'un à l'autre au niveau d'un noeud J2 auquel est envoyé le courant Ilog généré dans le circuit de compression sigmoïdale 8 de la cellule. Le transistor P11 est raccordé en série avec un transistor N3 formant avec un transistor N4 un miroir de courant permettant de générer le courant de sortie Iout de la cellule, ce courant de sortie passant dans la borne de sortie Sn de la cellule. Le noeud J2 est raccordé au transistor P10 de la cellule voisine (ici la cellule Cn+1). Un condensateur C2 est branché entre le noeud J2 et la masse.
  • Le transistor P11 constitue une conductance réglable qui est polarisée par le courant Imoy calculé dans le circuit de calcul 9 de la cellule par l'intermédiaire de deux autres transistors en série P12 et N5.
  • La polarisation des transistors latéraux P10 des filtres de toutes les cellules est assurée par un transistor P15 dont la grille est raccordée aux grilles de toutes ces transistors latéraux et qui fait partie du circuit de polarisation commun 11.
  • On voit ainsi que le filtre passe-bas adaptatif 10 est régulé par le courant Imoy qui comme on l'a déjà vu, correspond à une moyenne spatio-temporelle d'illumination au niveau d'un nombre prédéterminé de cellules voisines. Comme le courant Imoy varie peu d'une cellule à l'autre, on peut définir à propos d'un groupe prédéterminé de cellules une constante d'espace δ: δ = L F   2 = G P 10 G P 11 = I P 15 I moy
    Figure imgb0013
     dans laquelle LF est la longueur de diffusion du réseau diffusant formé par les filtres 10, GP10 et GP15 les conductances matérialisées par les transistors respectifs P10 et P15 et IP15 le courant circulant dans le transistor P15 du circuit de polarisation 11.
  • On voit d'après l'expression (13) que la constante d'espace δ est inversement proportionnelle au niveau moyen d'illumination.
  • La constante de temps τ du filtre 10 peut être définie comme suit: τ = C 2 ng mP 11 = C 2 U T I P 11
    Figure imgb0014
     dans laquelle n, gm et UT sont des paramètres caractéristiques du transistor P11.
  • On voit que la constante de temps τ dépend également de façon inversement proportionnelle du niveau moyen d'illumination.
  • En d'autres termes, tant spatialement que temporellement, le filtre adaptatif 10 dans chaque cellule permet d'améliorer le rapport signal/bruit pour les faibles intensités d'illumination, au détriment, il est vrai des résolutions spatiale et temporelle du capteur d'images.
  • La figure 6 illustre l'influence du filtre adaptatif 10 sur le résultat de la mesure effectuée par le capteur d'images que l'on vient de décrire. Les trois graphes visibles en a), b) et c) portent sur les cellules n° 25 à 34 d'un réseau unidimensionnel de 50 cellules agencées comme sur la figure 3, la cellule centrale 25 étant éclairée de façon variable et les autres cellules recevant une illumination uniforme. Les graphes représentent le courant de sortie Iout pour chacune des cellules concernées n°25 à 34 et correspondent respectivement à un courant moyen d'illumination Imoy = 100pA, Imoy = 1nA et Imoy = 10nA. Chaque graphe représente trois courbes relevées respectivement pour une illumination de la cellule centrale n° 25 telle que le rapport Iph/Imoy est respectivement de 100, de 1 et de 5.
  • On voit que plus le courant Imoy est faible, plus le retour au niveau moyen est lent et plus la longueur de diffusion LF est élevée. Une évolution dans ce sens des diverses grandeurs va de pair avec une amélioration du rapport signal/bruit du signal de sortie.
  • La figure 7 représente une variante du premier mode de réalisation du capteur d'images selon l'invention. Il diffère de celui précédemment décrit par la façon dont est polarisé le filtre passe-bas adaptatif 10. En effet, alors que sur la figure 3, on voit que la branche "verticale" (transistors P11 et N3) est polarisée par le courant Imoy via les transistors P12 et N5, dans le mode de réalisation de la figure 7, c'est la branche "latérale" qui est polarisée par ce paramètre par l'intermédiaire du transistor N2 dont la grille est reliée à la grille du transistor P10 dans la même cellule. Par ailleurs, le circuit de polarisation comporte, au lieu du transistor P15, un transistor N6 qui polarise à une valeur identique pour toutes les cellules le transistor P11 du filtre adaptatif.
  • Une autre variante de ce premier mode de réalisation consiste à utiliser pour les transistors P1 à P4 et P7 du circuit de compression sigmoïdale 8 des transistors du type MOS CLTB (Compatible Lateral Bipolar Transistor ou transistor bipolaire à compatibilité latérale) éventuellement associés à des transistors MOS en cascade, selon des montages qui ont été décrit dans deux ouvrages , l'un de X. Arreguit dans la thèse n° 817, 1989 à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse), et l'autre de E. Vittoz dans IEEE, Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-18, N°3, juin 1983 et intitulé "MOS Transistors Operated in the Lateral Bipolar Mode and their Application in CMOS Technology". Sur le plan fonctionnel, les circuits des figures 3 et 7 sont équivalents.
  • Les modes de réalisation décrits et représentés sur les figures 3 et 7 sont dits unidimensionnels en ce sens que le réseau s'étend dans une seule direction. Toutefois, à l'image des réseaux neuronaux pseudo-biologiques connus dans ce domaine, l'invention englobe également les réseaux dits multidimensionnels (supérieurs à une dimension) . Par exemple, dans un réseau tridimensionnel, les noeuds J1 et J2 pourraient être connectés à des noeuds équivalents situés dans les cellules de réseaux matérialisés dans des "plans" situés au-dessus et/ou en dessous de l'un ou l'autre des réseaux représentés sur les figures 3 et 7.
  • On va maintenant décrire un second mode de réalisation de l'invention en se référant plus particulièrement aux figures 8 à 10. On notera que cette solution permet d'obtenir des résultats tout à fait semblables à ceux que le circuit des précédentes figures permet d'atteindre. Toutefois, la seconde solution présente un avantage supplémentaire en ce sens que la réalisation pratique est moins sujette aux défauts d'appariement des composants utilisés.
  • Pour faciliter la compréhension de ce qui va suivre, toutes les références littérales ou numériques portent un suffixe "a" afin de pouvoir distinguer les composants correspondants de ceux utilisés dans le précédent mode de réalisation.
  • La figure 8 représente le principe qui est à la base de ce second mode de réalisation de l'invention. Le circuit représenté permet d'élaborer le courant de mesure selon l'équation:
    Figure imgb0015
     dans lequel:
    • Iout
    courant de mesure;
    k et l
    indices en X et Y d'une cellule concernée dans le réseau bidimensionnel;
    I0
    courant fourni par une source de courant prévue dans chaque cellule concernée;
    fR
    kernel de convolution d'allure Gaussienne
    Iph
    courant dans le photorécepteur
    Imoy
    courant moyen
  • La figure 8 montre le schéma très simplifié de trois cellules ou pixels k-1, k et k+1 d'un réseau photosensible ou rétine disposés ici sous forme de réseau unidimensionnel. Chaque cellule comprend un élément photosensible la telle qu'une photodiode par exemple fournissant le courant Iph(k) ainsi qu'une source de courant constant 2a fournissant le courant I0 pour cette cellule ou pixel.
  • Chaque cellule matérialise une conductance verticale 3a ou GVER(k) à travers laquelle passe le courant de mesure calculé Iout(k) constituant le signal de sortie du pixel. Le noeud de jonction entre la source de courant 2a et la conductance verticale 3a est relié à deux conductances latérale 4a et 5a ou GLAT1(k) et GLAT2(k) connectées respectivement aux conductances latérales des cellules gauche et droite voisines. Le principe de fonctionnement consiste à modifier les conductances 3a, 4a et 5a en fonction de l'image globale projetée sur le réseau.
  • Le courant Iph(k) est proportionnel à la luminance incidente L(k) qui module de manière proportionnelle la valeur de la conductance verticale 3a. De plus, le réseau comporte des moyens (non représentés sur la figure 8, mais décrits ultérieurement) permettant d'établir une moyenne spatiale des courant Iph des cellules voisines pour le courant moyen Imoy(k) permettant de moduler les conductances latérales 4a et 5a dans chaque cellule k.
  • Il s'avère que cette conception du réseau permet d'obtenir un courant de mesure Iout(k) pour chaque pixel proportionnel au rapport de la luminance L(k) et d'une valeur moyenne locale de la luminance, de sorte que le réseau devient apte à fournir un signal de sortie global satisfaisant, même si les niveaux de luminance frappant les différents zones du réseau diffèrent de plusieurs ordres de grandeur.
  • Sur la figure 9, on a représenté un exemple d'implémentation du deuxième mode de réalisation de l'invention.
  • La conductance verticale est réalisée par un transistor P2a monté en faible inversion, son potentiel de grille étant commandé par le transistor Pla qui est traversé par le courant provenant de l'élément photosensible (non représenté sur la figure 9).
  • Les conductances latérales 4a et 5a sont respectivement matérialisées par les transistors P4a et P5a montés également en faible inversion , le potentiel de grille étant commandé par un transistor P6a qui est traversé par le courant Imoy. Le courant moyen Imoy est obtenu par l'intermédiaire des transistors N1a et N2a montés en miroir de courant et du transistor N4a qui est relié par son trajet drain-source aux transistors correspondants des cellules voisines.
  • En faisant des hypothèses simplificatrices sur la distribution des courants Iph(k), on peut démontrer que la taille de la zone sur laquelle la normalisation du signal utile a lieu, est indépendante du niveau absolu de la luminance et est fixée par la constante d'espace C suivante: C = Glat Gver = cste V REFM
    Figure imgb0016
  • Comme déjà indiqué ci-dessus, une difficulté que l'on peut rencontrer lors de la réalisation du réseau selon l'invention, consiste en le risque que certains paires de transistors ne soient que médiocrement appariés, ce qui peut donner lieu à des erreurs dans la détermination de certaines grandeurs calculées dans chaque cellule.
  • Le circuit de la figure 9 est moins sensible à ce défaut que les montages décrits à propos du premier mode de réalisation de l'invention, en ce qui concerne la source de courant 2a et l'utilisation du courant Imoy. En effet, le courant I0 étant injecté à chaque cellule, il diffuse néanmoins latéralement dans le réseau en partie de sorte que toute différence entre les courants injectés dans les pixels voisins sera spatialement filtrée. Quant au courant Imoy, il sert uniquement à polariser les conductances latérales 4a et 5a dont l'effet ne se fait pas seulement sentir dans la cellule individuelle considérée, mais également latéralement, puisqu'elles déterminent la constante d'espace de normalisation.
  • La figure 10 représente une variante de la cellule de la figure 9, dans laquelle on élimine encore davantage le défaut d'appariement des transistors grâce à l'utilisation de transistors CLTB, ces transistors présentant un appariement meilleur d'au moins un ordre de grandeur à celui des transistors MOS. En outre, à titre d'illustration, dans ce cas, la cellule est destinée à être utilisée dans un réseau de type hexagonal, ce qui signifie qu'elle communique avec six cellules voisines en même temps. Un transistor CLTB Q4 est prévu dans la source de courant 2a, un transistor MOS auxiliaire P8a étant connecté à sa borne de collecteur.
  • De même, chaque transistor Pla, P2a et P3a est ici associé à un transistor respectif CTLB Q1, Q2 et Q3, le collecteur de ce dernier étant relié au transistor MOS concerné. Les connexions latérales sont réalisées par les transistors respectifs N4a, N5a, N6a, P5a, P6a, P7a, P10a, P11a et P12a.
  • On notera que le second mode de réalisation peut être équipé d'un filtre adaptatif tel que décrit ci-dessus dans le cadre du premier mode de réalisation.

Claims (17)

  1. Réseau de cellules photosensibles (Cn, Cn+1, Cn-1; k, k-1; k+1) dont chaque cellule est destinée à fournir un signal de sortie (Sn) représentatif du contraste local présent dans la zone où se situe cette cellule dans le réseau, caractérisé en ce que chaque cellule comprend:
    - un élément photosensible (12; 1a) délivrant un courant (Iph; Iph(k)) représentatif de l'illumination locale dans ladite zone;
    - un circuit de calcul (9; N3a, N4a, P3a) qui, à partir dudit courant représentatif (Iph; Iph(k)) et de parts prédéterminées des courants représentatifs engendrés dans au moins certaines des cellules voisines dans le réseau de la cellule considérée, élabore un courant moyen (Imoy; Imoy(k));
    - un second circuit de calcul qui, à partir dudit courant représentatif (Iph; Iph(k)) et dudit courant moyen (Imoy; Imoy(k)) élabore un courant de mesure (Ilog; Iout(k) dépendant de manière croissante, monotone et saturante du rapport entre le courant représentatif et le courant moyen, ledit rapport représentant le contraste local de la cellule considérée, et
    - des moyens (10) pour élaborer ledit signal de sortie (Sn) en fonction dudit courant de mesure (Ilog; Iout(k)).
  2. Réseau de cellules photosensibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second circuit de calcul (9) est agencé pour élaborer ledit courant de mesure (Ilog) de façon qu'il résulte d'une compression sigmoïdale dudit rapport entre le courant (Iph) représentatif de l'illumination locale et ledit courant moyen (Imoy).
  3. Réseau de cellules photosensibles selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque cellule comprend un diviseur de courant (8) comportant une source de courant constant (1) débitant dans des première et seconde conductances réglables (P1, P2; P3, P4) ayant une fonction de transfert sigmoïdale, la première (P1, P2) desdites conductances étant régulée par le courant (Iph) circulant dans ledit élément photosensible (12) et en ce que la seconde desdites conductances (P3, P4) est régulée par le courant moyen (Imoy) engendré dans ledit circuit de calcul (9).
  4. Réseau de cellules photosensibles suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites première et seconde conductances sont formées chacune par un transistor (P2, P3) à l'électrode de commande duquel sont appliqués respectivement un signal représentatif du courant (Iph) circulant dans ledit élément photosensible (12) et un signal représentatif dudit courant moyen (Imoy).
  5. Réseau de cellules photosensibles suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'un transistor de commande (P1, P4) est associé respectivement à chacun des transistors (P2, P3) formant lesdites conductances, ces transistors de commande (P1, P4) étant respectivement parcourus par le courant (Iph) circulant dans ledit élément photosensible (12) et par ledit courant moyen (Imoy) et leurs électrodes de commande étant connectées respectivement aux électrodes de commande desdits transistors formant conductance (P2, P3).
  6. Réseau de cellules photosensibles suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les circuits de calcul (9) de courant moyen (Imoy) desdites cellules (Cn, Cn-1, Cn+1) forment ensemble un réseau diffusant, chaque circuit de calcul comprenant une branche verticale (P8, N1) parcourue par le courant (Iph) représentatif du courant circulant dans ledit élément photosensible (12), et une branche latérale (P9) connectée en série avec toutes les branches latérales des circuits de toutes les autres cellules, et en ce que ledit courant moyen (Imoy) est prélevé sur ladite branche verticale (P8, N1).
  7. Réseau de cellules photosensibles suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second circuit de calcul est agencé pour élaborer ledit courant de mesure (Iout) selon l'équation:
    Figure imgb0017
     dans lequel:
    Iout   courant de mesure;
    k et l   indices en X et Y d'une cellule concernée dans le réseau bidimensionnel;
    I0   courant fourni par une source de courant prévue dans chaque cellule concernée;
    fR   kernel de convolution d'allure Gaussienne
    Iph   courant dans le photorécepteur
    Imoy   courant moyen
  8. Réseau de cellules suivant la revendication 7, caractérisée en ce que chaque cellule (k-1, k, k+1) comprend une source de courant constant (2a), une conductance verticale (3a) connectée à cette source et traversée par ledit courant de mesure (Iout(k)), la valeur de ladite conductance verticale étant rendue proportionnelle à la luminance incidente détectée par ledit élément photosensible (1a), le noeud entre ladite source et ladite conductance verticale étant connectée à au moins deux conductances latérales (4a, 5a) dont la valeur est modulée par ledit courant moyen (Imoy(k)).
  9. Réseau de cellules suivant la revendication 8, caractérisé en ce que, dans chaque cellule, ladite conductance verticale est formée par au moins un premier transistor (P2a) en faible inversion dont l'électrode de commande est commandée par au moins un second transistor (P1a) traversé par le courant (Iph(k)) engendré par ledit élément photosensible (la), tandis que lesdits conductances latérales (4a et 5a) sont formées par des quatrième et cinquième transistors (P4a, P5a) en faible inversion dont l'éléctrode de commande est commandée par un sixième transistor (P6a) traversé par ledit courant moyen (Imoy(k)) et dont les trajets principaux sont raccordés aux transistors homologues respectifs situés dans les cellules voisines (k-1, k+1).
  10. Réseau de cellules photosensibles suivant les revendications 4, 5, et 9, caractérisé en ce que lesdits transistors comprennent des transistors MOS.
  11. Réseau de cellules photosensibles suivant les revendications 4, 5, 9 et 10, caractérisé en ce que lesdits transistors comprennent des transistors bipolaires.
  12. Réseau de cellules photosensibles suivant les revendications 4, 5 et 9 à 11, caractérisé en ce que lesdits transistors comprennent des transistors MOS CLBT.
  13. Réseau de cellules photosensibles suivant l'une quelconque des revendications 4, 5 et 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend également un circuit de polarisation (11) commun à toutes les cellules (Cn, Cn-1, Cn+1), et en ce que les branches verticale et latérale dudit circuit de calcul (9) comportent des transistors (P8, P9) dont les électrodes de commande sont polarisées par ledit circuit de polarisation commun (11).
  14. Réseau de cellules photosensibles suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que chaque cellule comprend également un filtre passe-bas adaptatif (10) formant lesdits moyens pour élaborer ledit signal de sortie (Sn), pour améliorer le rapport signal/bruit dans le domaine de faible illumination de chaque cellule.
  15. Réseau de cellules photosensibles suivant la revendication 14, caractérisé en ce que les filtres passe-bas (10) de toutes les cellules forment un réseau diffusant, chaque filtre comprenant une branche verticale (P11, N3) parcourue par ledit courant de mesure (Ilog) et formée par une conductance variable en fonction dudit courant moyen (Imoy), et une branche latérale (P10) connectée en série avec les branches latérales des filtres (10) de toutes les autres cellules, et en ce que ledit signal de sortie (Sn) est prélevé sur la branche verticale (P11, N3) de ce filtre.
  16. Réseau de cellules photosensibles suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les branches latérale et verticale dudit filtre (10) comprennent chacune au moins un transistor (P10, P11, N3) et en ce que les transistors (P10) des branches latérales sont polarisés par un circuit de polarisation commun (11), tandis que l'un des transistors (P11) de la branche verticale est commandé par un signal qui est fonction dudit courant moyen (Imoy).
  17. Réseau de cellules photosensibles suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les branches latérale et verticale dudit filtre (10) comprennent chacune un transistor (P10, P11, N3) et en ce que le transistor de la branche latérale est commandé par le courant moyen (Imoy) calculé dans la cellule correspondante, tandis que les transistors de toutes les branches verticales des cellules sont polarisées par un circuit de polarisation commun (11).
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